ANALÝZA VLIVU NUMERICKÉ APERTURY A ZVĚTŠENÍ NA HODNOTU ROZPTYLOVÉ FUNKCE BODU

Podobné dokumenty
UŽITÍ MATLABU V KOLORIMETRII. J.Novák, A.Mikš. Katedra fyziky, FSv ČVUT, Praha

23. Mechanické vlnění

Vliv komy na přesnost měření optických přístrojů. Antonín Mikš Katedra fyziky, FSv ČVUT, Praha

GRADIENTNÍ OPTICKÉ PRVKY Gradient Index Optical Components

Správnost vztahu plyne z věty o rovnosti úhlů s rameny na sebe kolmými (obr. 13).

Interference. 15. prosince 2014

STUDIUM MAXWELLOVA ZÁKONA ROZDĚLENÍ RYCHLSOTÍ MOLEKUL POMOCÍ DERIVE 6

VLIV ZMĚNY FÁZE VLNOVÉHO POLE NA ZMĚNU BARVY INTERFERENČNÍHO POLE V METODĚ POLARIZAČNÍ INTERFEROMETRIE

3. Lineární diferenciální rovnice úvod do teorie

POČÍTAČOVÁ SIMULACE VLIVU CHYB PENTAGONÁLNÍHO HRANOLU NA PŘESNOST MĚŘENÍ V GEODÉZII. A.Mikš 1, V.Obr 2

Geometrická optika. Zákon odrazu a lomu světla

Geometrická optika. Vznikají tak dva paprsky odražený a lomený - které spolu s kolmicí v místě dopadu leží v jedné rovině a platí:

REALIZACE BAREVNÉHO KONTRASTU DEFEKTŮ V OPTICKÉ PROSTOVĚ-FREKVENČNÍ OBLASTI SPEKTRA

L A B O R A T O R N Í C V I Č E N Í Z F Y Z I K Y

1 Základy Z-transformace. pro aplikace v oblasti

12. N á h o d n ý v ý b ě r

6. Posloupnosti a jejich limity, řady

Odhady parametrů polohy a rozptýlení pro často se vyskytující rozdělení dat v laboratoři se vyčíslují podle následujících vztahů:

Matematika 1. Katedra matematiky, Fakulta stavební ČVUT v Praze. středa 10-11:40 posluchárna D / 13. Posloupnosti

jako konstanta nula. Obsahem centrálních limitních vět je tvrzení, že distribuční funkce i=1 X i konvergují za určitých

Laboratorní práce č. 10 Úloha č. 9. Polarizace světla a Brownův pohyb:

Matematika I, část II

Interakce světla s prostředím

stručná osnova jarní semestr podzimní semestr

stručná osnova jarní semestr podzimní semestr

Posloupnosti a číselné řady. n + 1. n n n n. n n n. = lim. n2 sin n! lim. = 0, je lim. lim. lim. 1 + b + b b n) = 1 b

4. B o d o v é o d h a d y p a r a m e t r ů

#(, #- #(!!$!#$%!! [2], studiu difraktivních. #!$$&$.( &$/#$$ oblasti holografie a difraktivní!# '!% #!!$#!'0!!*#!(#!! #!!! $ % *! $! (!

7. Analytická geometrie

Při sledování a studiu vlastností náhodných výsledků poznáme charakter. podmínek různé výsledky. Ty odpovídají hodnotám jednotlivých realizací

P. Girg. 23. listopadu 2012

MATEMATICKÁ INDUKCE. 1. Princip matematické indukce

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Z PŘEDMĚTU

Středoškolská technika 2015 ŘEŠENÍ DOKONALÉHO TVARU MOSTNÍHO NOSNÍKU Z HLEDISKA POTENCIÁLNÍ ENERGIE - ŘETĚZOVKA

Komplexní čísla. Definice komplexních čísel

1.1. Definice Reálným vektorovým prostorem nazýváme množinu V, pro jejíž prvky jsou definovány operace sčítání + :V V V a násobení skalárem : R V V

FUNKCÍ JEDNÉ REÁLNÉ PROMĚNNÉ PRVNÍ DIFERENCIÁL

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

2 IDENTIFIKACE H-MATICE POPISUJÍCÍ VEDENÍ Z NAMĚŘENÝCH HODNOT

Abstrakt. Co jsou to komplexní čísla? K čemu se používají? Dá se s nimi dělat

n=1 ( Re an ) 2 + ( Im a n ) 2 = 0 Im a n = Im a a n definujeme předpisem: n=1 N a n = a 1 + a a N. n=1

n-rozměrné normální rozdělení pravděpodobnosti

6. FUNKCE A POSLOUPNOSTI

ANALÝZA MĚŘENÍ TVARU VLNOPLOCHY V OPTICE POMOCÍ MATLABU

6 Intervalové odhady. spočteme aritmetický průměr, pak tyto průměry se budou chovat jako by pocházely z normálního. nekonečna.

NMAF063 Matematika pro fyziky III Zkoušková písemná práce 17. ledna 2019

n=0 a n, n=0 a n = ±. n=0 n=0 a n diverguje k ±, a píšeme n=0 n=0 b n = t. Pak je konvergentní i řada n=0 (a n + b n ) = s + t. n=0 k a n a platí n=0

veličiny má stejný řád jako je řád poslední číslice nejistoty. Nejistotu píšeme obvykle jenom jednou

Pravděpodobnostní modely

DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE JEDNÉ PROMĚNNÉ. 1) Pojem funkce, graf funkce

je číselná posloupnost. Pro všechna n položme s n = ak. Posloupnost

je konvergentní, právě když existuje číslo a R tak, že pro všechna přirozená <. Číslu a říkáme limita posloupnosti ( ) n n 1 n n n

12 VZORKOVACÍ TEORÉM 1

Odhady parametrů 1. Odhady parametrů

GEOMETRIE I. Pavel Burda

NMAF063 Matematika pro fyziky III Zkoušková písemná práce 25. ledna x 1 n

EXPERIMENTÁLNÍ METODA URČENÍ ZÁKLADNÍCH PARAMETRŮ OBJEKTIVU ANALAKTICKÉHO DALEKOHLEDU. A.Mikš 1, V.Obr 2

SIMULACE METODY FÁZOVÉHO KONTRASTU V MATLABU. A.Mikš, J.Novák

Matematika 1. Ivana Pultarová Katedra matematiky, Fakulta stavební ČVUT v Praze. středa 10-11:40 posluchárna D Posloupnosti

Spolehlivost a diagnostika

ŘADY Jiří Bouchala a Petr Vodstrčil

11. přednáška 16. prosince Úvod do komplexní analýzy.

Obsah. 1 Mocninné řady Definice a vlastnosti mocninných řad Rozvoj funkce do mocninné řady Aplikace mocninných řad...

základním prvkem teorie křivek v počítačové grafice křivky polynomiální n

FYZIKA 4. ROČNÍK. Disperze světla. Spektrální barvy. β č β f. T různé f různá barva. rychlost světla v prostředí závisí na f = disperze světla

Spojitost a limita funkcí jedné reálné proměnné

odhady parametrů. Jednostranné a oboustranné odhady. Intervalový odhad střední hodnoty, rozptylu, relativní četnosti.

Modelování jednostupňové extrakce. Grygar Vojtěch

NMAF061, ZS Zápočtová písemná práce VZOR 5. ledna e bx2 x 2 e x2. F (b) =

Základní požadavky a pravidla měření

IAJCE Přednáška č. 12

5.5. KOMPLEXNÍ ODMOCNINA A ŘEŠENÍ KVADRATICKÝCH A BINOMICKÝCH ROVNIC

8.2.1 Aritmetická posloupnost

OBRAZOVÁ ANALÝZA POVRCHU POTISKOVANÝCH MATERIÁLŮ A POTIŠTĚNÝCH PLOCH

Deskriptivní statistika 1

Užitečné zdroje příkladů jsou: Materiály ke cvičením z Kalkulu 3 od Kristýny Kuncové:

= + nazýváme tečnou ke grafu funkce f

Sekvenční logické obvody(lso)

procesy II Zuzana 1 Katedra pravděpodobnosti a matematické statistiky Univerzita Karlova v Praze

Těžiště a moment setrvačnosti Nalezení práce polohy těžiště a momentu setrvačnosti vůči zadané ose u homogenních těles v třírozměrném prostoru.

11.1 Úvod. Definice : [MA1-18:P11.1] definujeme pro a C: nedefinujeme: Posloupnosti komplexních čísel

14. B o d o v é o d h a d y p a r a m e t r ů

8. Analýza rozptylu.

Mezní stavy konstrukcí a jejich porušov. Hru IV. Milan RůžR. zbynek.hruby.

a logaritmickou funkci a goniometrické funkce. 6.1 Násobení řad. Podívejme se neprve na násobení mnohočlenů x = x x n a y = y y n.

1 Uzavřená Gaussova rovina a její topologie

Metodický postup pro určení úspor primární energie

Diskrétní Fourierova transformace

Definice obecné mocniny

1. Číselné obory, dělitelnost, výrazy

1. ZÁKLADY VEKTOROVÉ ALGEBRY 1.1. VEKTOROVÝ PROSTOR A JEHO BÁZE

Přednáška 7, 14. listopadu 2014

WikiSkriptum Ing. Radek Fučík, Ph.D. verze: 1. října 2019

Náhodu bychom mohli definovat jako součet velkého počtu drobných nepoznaných vlivů.

Funkce. RNDr. Yvetta Bartáková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

1. Definice elektrického pohonu 1.1 Specifikace pohonu podle typu poháněného pracovního stroje Rychlost pracovního mechanismu

MATICOVÉ HRY MATICOVÝCH HER

Jednotkou tepla je jednotka energie, tj. 1 Joule (J). Z definice dále plyne, že jednotkou tepelného toku je 1 J/s ( neboli 1 W )

8.2.1 Aritmetická posloupnost I

1.2. NORMA A SKALÁRNÍ SOUČIN

Transkript:

ANALÝZA VLIVU NUMERICKÉ APERTURY A ZVĚTŠENÍ NA HODNOTU ROZPTYLOVÉ FUNKCE BODU A.Mikš, J.Novák, P. Novák katedra fyziky, Fakulta stavebí ČVUT v Praze Abstrakt Práce se zabývá aalýzou vlivu velikosti umerické apertury a příčého zvětšeí optické fyzikálě dokoalé soustavy a hodotu rozptylové fukce bodu. Je uvedea skalárí teorie určeí rozptylové fukce bodu pro zobrazeí osového bodu optickou soustavou s koečou umerickou aperturou. Úvod Rozptylová fukce bodu je základí charakteristikou zobrazovacích vlastostí optické soustavy. S í přímo souvisí problematika rozlišovací schoposti optické soustavy a problematika optické fukce přeosu. V optické literatuře [,,3,4] je problematika rozptylové fukce bodu uváděa je pro případy optických soustav s velmi malou umerickou aperturou. Tyto vztahy velmi dobře vyhovují pro velkou řadu optických soustav s kterými se v praxi setkáváme, eboť se právě jedá o optické soustavy (dalekohledy, fotografické objektivy apod.), jejichž umerická apertura bývá malá. Např. fotografický objektiv o cloovém čísle c=,4 má umerickou aperturu A=/c=0,36. Typickým reprezetatem optických soustav s velkou umerickou aperturou jsou mikroskopové objektivy. V čláku jsou uvedey aalytické vztahy umožňující provést výpočet rozptylové fukce bodu pro osový bod fyzikálě dokoalé optické soustavy s umerickou aperturou koečé hodoty a určitým příčým zvětšeím. Tyto vztahy přecházejí v limitím případě ekoečě malé umerické apertury v klasický vztah uváděý v optické literatuře a jsou tedy jeho zobecěím. Úkolem této práce je ukázat vliv umerické apertury a zvětšeí optické soustavy a její rozptylovou fukci bodu a to z hlediska skalárí teorie vlěí. Difrakčí itegrál Uvažujme skalárí vlové pole. Jak je zámo z teorie elektromagetického pole [-6], můžeme určit stav pole U(P) v libovolém bodě P oblasti omezeé plochou S, je-li zámo pole U(M) a této ploše ik r i e U ( P) = U ( M ) cos(, r) ds λ, () r S kde M je bod plochy S, r je vzdáleost bodu P(u,v,R) od bodu M(x,y,z), cos(,r) je kosius úhlu, který svírá ormála k ploše S se směrem r, k = π/λ je vlové číslo a λ je vlová délka zářeí v daém prostředí. Vypočítejme si yí itegrál () pro případ optické soustavy zatížeé aberacemi. Plocha S echť je vloplochou vystupující z optické soustavy. Bod M(x,y,z) echť je libovolý bod a vloploše S, dále pak echť P(x P,y P,z P ), ležící v obrazové roviě optické soustavy, je bod v kterém chceme určit stav pole a bod P o (x o,y o,z o ), také ležící v obrazové roviě optické soustavy, echť je středem kulové plochy (referečí plochy) o poloměru R. Jestliže bod P leží blízko středu plochy S, platí pro vzdáleost r bodu P od bodu M ásledující vztah xu + yv u + v r R +. R R Je-li plocha S dáa rovicí z = z(x,y), potom pro elemet ds této plochy platí [8]

Ozačíme-li ds z z = + dxdy = Ddxdy x + y. dostáváme Ozačíme-li dále p = x /R, q = y/r, D =. p q F( p, = U ( p, D exp( ik W ), o u s =, λ o v t =, λ o kde k o = π/λ o a λ o je vlová délka světla ve vakuu, potom uvedeý vztah () můžeme psát ve tvaru (cos(,r) ) U ( s, t) = C S F( p, e πi( ps+ qt) dpdq, () kde C je kostata. Vztah () ám tedy umožňuje určit stav pole (amplitudu pole) v obrazové roviě optické soustavy s koečou umerickou aperturou. Z tohoto vztahu je patro, že pole U(s,t) je úměré Fourierově trasformaci fukce F(p,. π π B B u P P u A A OS S S p p Obr.: Schéma pro výpočet rozptylové fukce bodu fyzikálě dokoalé optické soustavy

3 Rozptylová fukce bodu fyzikálě dokoalé optické soustavy Fyzikálě dokoalou optickou soustavou azýváme optickou soustavu, jejíž vlastosti jsou omezey pouze difrakcí světla. Takováto soustava je prosta aberací a vloplocha z í vystupující je tedy plocha kulová. Zkoumejme yí zobrazeí osového bodu. Vyšetřovaá situace je zázorěa a obr.. Osový bod A je optickou soustavou OS zobraze do bodu A, π a π jsou roviy vstupí a výstupí pupily optické soustavy. Body P a P jsou středy vstupí a výstupí pupily. S je vloplocha do optické soustavy vstupující a S je vloplocha z optické soustavy vystupující. Výzam ostatích symbolů je patrý z obrázku. Abychom určili amplitudu v obrazové roviě optické soustavy, musíme zát fukci F(p, utou pro výpočet itegrálu (). Je-li soustava fyzikálě dokoalá je vlová aberace W optické soustavy rova ule (W = 0) a fukce F(p, je dáa vztahem F ( p, = U ( p, D. Dále musíme určit fukci U(p, = U(x,y), což je amplituda a vloploše vystupující z optické soustavy. Ze zákoa zachováí eergie [3, 4] plye U ds U d = S, kde U je amplituda a vloploše S do optické soustavy vstupující a U = U(x,y) je ámi hledaá amplituda a vloploše S vystupující z optické soustavy, ds je elemet vloplochy S vstupující do optické soustavy a ds elemet vloplochy S vystupující z optické soustavy, a jsou idexy lomu předmětového a obrazového prostředí. Dosazeím do předcházejícího vztahu dostáváme, užitím Abbeho siové podmíky, pro výraz U D U D = U m P 4 ( si u ) / ( M si u ) / 4 kde m P je příčé zvětšeí optické soustavy v pupilách, m je příčé zvětšeí optické soustavy a M = m. Ozačíme-li T amplitudovou propustost optické soustavy, potom platí F T = T U D = U. (3) 4 ( ) / ( ) / 4 m P si u M si u Pomocí tohoto vztahu můžeme určit fukci F, potřebou pro výpočet amplitudy pole podle vztahu (3) a to pro případ zobrazeí osového bodu předmětu. Zavedeme-li ve výstupí pupile polárí souřadice r a ϕ a v obrazové roviě polárí souřadice ρ a ψ, potom můžeme vztah () psát ve tvaru π [ iτrcos( ϕ ψ) ] U ( r, ϕ)exp U ( ρ, ψ) = K r dr dϕ, (4) 4 0 0 ( r si u ) / ( Mr si u ) max kde u max je aperturí úhel paprsku procházejícího okrajem výstupí pupily, K je kostata a τ je dáo vztahem τ = ρ si u = πρ λ c, k o max / 0 max / 4

kde c = / si u max je cloové číslo optické soustavy. Předpokládejme yí, že příčé zvětšeí v pupilách mp = a předmětové a obrazové prostředí je vzduch. Dále předpokládejme, že amplitudová propustost optické soustavy je rova jedé (ebo je kostatí). Za těchto předpokladů můžeme ve vztahu (4) položit U(r,ϕ) =. Pro malé aperturí úhly tj. pro u max 0 přechází vztah (4) v klasický vztah [,,3] uváděý v optické literatuře a sice J ( τ) U ( τ) =. (5) τ Vidíme tedy, že pro dostatečě přesý výpočet rozptylové fukce bodu optické soustavy mající velkou umerickou aperturu je uté použít vztah (4) a e klasický vztah (5) uváděý v literatuře. Rozptylovou fukci bodu poté lze vypočítat ze vztahu I = UU. (6) 4 Aalýza vlivu umerické apertury a zvětšeí a hodotu rozptylové fukce Na základě uvedeých vztahů (4) a (6) pro aalytický výpočet amplitudy a rozptylové fukce pro případ fyzikálě dokoalé optické soustavy s kruhovou vstupí pupilou a umerickou aperturou koečé hodoty je provedea počítačová simulace daého problému s užitím MATLABu. Je ukázáa závislost hodot rozptylové fukce bodu pro růzé velikosti umerické apertury a příčého zvětšeí fyzikálě dokoalé optické soustavy. Na obr. jsou zázorěy ormalizovaé rozptylové fukce bodu fyzikálě dokoalé optické soustavy pro 4 růzé hodoty umerické apertury. Prví křivka je pro případ ulové hodoty umerické apertury tj. křivka shodá s klasickou rozptylovou fukcí podle vztahu (5), další pak jsou pro růzé hodoty umerické apertury. Obr.: Rozptylová fukce bodu fyzikálě dokoalé optické soustavy Na obr.3 je poté ukázáa závislost prvího miima rozptylové fukce (poloměr Airyho disku) a hodotě umerické apertury NA optické soustavy. Z obrázku je patrý vliv hodoty umerické apertury optické soustavy a hodotu prvího miima rozptylové fukce bodu. Jak je vidět z obou

obrázků, klasický vztah (5) je dostatečě přesý pro optické soustavy s velikostí umerické apertury NA 0,5 tj. pro optické soustavy s cloovým číslem větším ež (tj. pro všechy fotografické objektivy). Pro optické systémy s hodotou umerické apertury větší ež 0,5 je vhodější použít obecý vztah (4) amísto klasického vztahu (5). Z obou obrázků je patré, že s rostoucí umerickou aperturou dochází ke zužováí prvího miima rozptylové fukce. Obr.3: Závislost hodoty prvího miima rozptylové fukce bodu a umerické apertuře Nyí budeme zkoumat závislost tvaru rozptylové fukce bodu a hodotě příčého zvětšeí optické soustavy. Na obr.4 je zobrazea tato závislost pro tři růzé hodoty zvětšeí a je porováa se vztahem pro malé umerické apertury. Obr.4: Rozptylová fukce bodu fyzikálě dokoalé optické soustavy (růzá zvětšeí)

Obr.5: Závislost hodoty prvího miima rozptylové fukce bodu a zvětšeí Na obr.5 je poté ukázáa závislost prvího miima rozptylové fukce (poloměr Airyho disku) a hodotě příčého zvětšeí m optické soustavy. Z obrázku je patrý vliv hodoty příčého zvětšeí optické soustavy a hodotu prvího miima rozptylové fukce bodu. Z obrázku je patré, že v závislosti a příčém zvětšeí dochází k zužováí i rozšiřováí prvího miima rozptylové fukce oproti klasickému vztahu (5). 5 Závěr V čláku bylo pojedáo o výpočtu rozptylové fukce bodu a základě skalárí teorie vlového pole. Byl odvoze vztah pro výpočet amplitudy vlového pole v obrazové roviě optické soustavy. Teto vztah platí i pro soustavy s velkou umerickou aperturou. Dále byl odvoze aalytický vztah pro výpočet amplitudy vlového pole při zobrazeí osového bodu fyzikálě dokoalou optickou soustavou s umerickou aperturou koečé hodoty a kostatí amplitudovou propustostí. Na základě tohoto vztahu bylo ukázáo že amplituda pole prvě abývá ulové hodoty v jiém bodě ež jak plye z klasické teorie. S problematikou rozptylové fukce bodu je úzce spjata problematika rozlišovací schoposti optických soustav. Z odvozeých vztahů je patro, že rozptylová fukce optické soustavy závisí a příčém zvětšeí a umerické apertuře optické soustavy. Na základě odvozeého vztahu pro výpočet rozptylové fukce bodu optických soustav s umerickou aperturou koečé hodoty byla provedea aalýza vlivu umerické apertury a příčého zvětšeí a hodotu ormalizovaé rozptylové fukce bodu. Oba zkoumaé parametry (umerická apertura a příčé zvětšeí) způsobují změy tvaru rozptylové fukce. Prví miimum difrakčího obrazce (tzv.airyho disk) se měí se změou hodoty umerické apertury a příčého zvětšeí. Zvyšováím umerické apertury dochází k zužováí Airyho disku. Práce byla podpořea v rámci projektu MSM68407700 Miisterstva školství ČR a gratu IGS CTU0500.

Literatura [] J.W.Goodma: Itroductio to Fourier Optics. McGraw-Hill, New York, 968. [] B.Havelka: Geometrická optika I. NČSAV, Praha, 955. [3] M.Bor, E.Wolf, Priciples of Optics. Oxford Uiversity Press, New York, 964. [4] M.V.Klei: Optics. Joh Wiley & Sos, Ic., New York, 970. [5] A.Mikš: Aplikovaá optika 0. Vydavatelství ČVUT, Praha 000. [6] L.Haňka: Teorie elektromagetického pole. SNTL, Praha, 975. [7] V.J.Arsei: Matematičeskaja fizika. Nauka, Moskva, 966. [8] K.Rektorys: Přehled užité matematiky. SNTL, Praha, 968. Prof.RNDr.Atoí Mikš,CSc., katedra fyziky, FSv ČVUT, Thákurova 7, 66 9 Praha 6. tel: 4354948, fax: 333336, e-mail: miks@fsv.cvut.cz Ig.Jiří Novák,PhD., katedra fyziky, FSv ČVUT, Thákurova 7, 66 9 Praha 6. tel: 4354345, fax: 333336, e-mail: ovakji@fsv.cvut.cz Ig.Pavel Novák, katedra fyziky, FSv ČVUT, Thákurova 7, 66 9 Praha 6. tel: 4354345, fax: 333336, e-mail: xovakp9@fsv.cvut.cz